中國標準動車組受電弓模擬實訓裝置的設計

楊贇,陳龍，韓金舫

(1.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031；2.中車大連機車車輛有限公司 城鐵開發部，遼寧 大連 116027；3.中國有色(沈陽)泵業有限公司，遼寧 沈陽 110027)

目前，我國投入運營的高速鐵路超過3.5萬公里，居世界首位.隨著國內、國際多條高鐵線路的開通以及老舊車型的更新換代，市場對中國“復興號”動車組的需求量大增，同時也大量需要與之匹配的運營管理和調試維護人員[1].

“復興號”動車組是一個大而復雜的高度集成系統，所有電氣線路與控制環路分散隱藏在各個車輛相應位置，現有以真車參觀為主的教學模式難窺其內涵，透明化程度較低、培訓周期長、培訓效果差,受訓人員需要長時間在崗訓練才能適應，這種人才培養模式難以適應中國動車組的快速發展要求[2].因此，設計一種針對中國標準動車組的模擬實訓裝置已迫在眉睫.

受電弓是影響動車組可靠運行的關鍵部件.在運行和調試維護過程中，需要熟悉受電弓的緊急斷電、接地鑰匙控制、升降弓、緊急降弓等各環路的電氣原理、器件位置、控制邏輯、常見故障現象和基于現象的故障判斷.本受電弓模擬實訓裝置是以中國標準動車組“復興號”CR400BF為基礎，采用標準作業平臺作為基礎框架，各功能單元由相對獨立的模塊組合構成，可根據實訓需要或工作任務的不同進行不同的組合.受訓人員能直觀、清晰、快速掌握動車組受電弓相關單元的電氣原理、提高常見故障的診斷能力和排除效率、增強實操的熟練度，能大大提升培訓效果.

1 動車組受電弓結構及工作原理

受電弓主要由底架、阻尼器、升降弓裝置等組成，動車組受電弓結構圖見圖1.當弓網接觸時，電流從接觸網經碳滑板流到弓頭，沿上臂桿、下臂桿進入底架，最后流入動車組的高壓系統，為動車組的運行提供先決條件[3-4].

圖1 動車組受電弓結構圖

如果受電弓發生故障，那么動車組的高壓設備將無法受流，導致列車無法運行，造成線路堵塞并影響對其他列車的調度.因此受電弓升降控制環路是動車組最重要的環路之一[5].

“復興號”動車組受電弓升降裝置由升弓電磁閥(RPSV)、升弓單向節流閥、降弓單向節流閥、ADD快排電磁閥、壓力開關單向節流閥，快速降弓電磁閥(LPSV)等構成[6]，其控制原理框圖見圖2.

圖2 受電弓升降控制原理框圖

當司機室按下升弓開關后，升弓電磁閥得電，通過升弓單向節流閥向氣囊充氣，驅動受電弓升起，若無意外情況發生，大約8 s之后，受電弓上升到接觸網高度，ADD快排電磁閥導通向碳滑板充氣，直至碳滑板與接觸網線之間達到需要的靜態接觸力，受電弓正常升起，升弓操作結束.當進行降弓操作時，升弓電磁閥失電，氣囊中的氣體通過降弓單向節流閥經升弓電磁閥排氣口排出，受電弓在重力作用下緩緩下降.壓力開關和ADD快排電磁閥內的壓力空氣也同時排出，降弓操作完成[7-8].

受電弓可能因以下原因無法正常升起，在“故障導向安全”原則下，必須要有自動降弓以避免弓網接觸的功能.例如在升弓條件下，若在規定的延時時間內碳滑板壓力檢測未達到正常值，則認為碳滑板磨耗泄露，受電弓故障.此時控制ADD快排閥得電，快速排出氣囊內的氣體，受電弓迅速降下，ADD快排閥也可和快速降弓電磁閥聯動，在緊急斷電以及受電弓遭到異物擊打時快速降弓，防止受電弓和接觸網被破壞[9-10].

2 受電弓模擬實訓裝置的結構設計

在中國標準動車組中，受電弓位于3車和6車，模擬實訓裝置采用標準作業平臺為基礎框架，抽離出中國標準動車組受電弓系統各控制環路的功能，設計了TC01頭車、TP03-TP06車、TC08頭車三個模塊，各模塊通過安全插頭與DC110V電源連接，模仿真車的控制電路電壓.TC01、TP03-TP06、TC08通過重載連接器連接，達到與真車相同的編組狀態.根據頭車占用情況，由TC01或TC08發出指令，模擬頭車對受電弓發出升降弓信號，經邏輯控制電路模塊將運算結果輸出到TP03-TP06車模塊，通過控制外掛的氣源和小型受電弓替代裝置，模擬真實動車組的升降弓控制功能，其示意圖見圖3、圖4.

圖3 受電弓模擬實訓裝置架構

圖4 受電弓模擬實訓裝置實物

3 受電弓模擬實訓裝置控制系統設計

3.1 控制環路硬線電路設計

受電弓的選擇、切除、升降弓、互鎖功能、緊急驅動模式等功能由列車控制監控系統管理，同時還有接地鑰匙控制環路、緊急斷電安全環路、受電弓選擇及升降弓、緊急模式下受電弓控制等列車硬線.以自動降弓裝置(ADD)為例(圖5)，介紹控制環路的硬線電氣設計.圖中繼電器的功能含義：=21-K05為升弓繼電器.=21-K10、=21-K81和=21-K83為升弓壓力檢測繼電器，當升弓后達到設定壓力值時=21-K83得電、=21-K81失電；當受電弓壓力出現問題時，=21-K81得電、=21-K83失電，=21-K10延時5 s斷開，=21-K11繼電器得電.=21-K11是ADD降弓繼電器，控制降弓.

圖5 ADD自動降弓硬線電氣原理圖

自動降弓裝置(ADD)的工作邏輯如下：

(1)當受電弓未升起，=21-K83(13-14)斷開，=21-K81(21-22)斷開，=21-K10不得電.=21-K83(21-22)接通，=21-K81(13-14)接通，升弓繼電器=21-K05(14-13)斷開，=21-K11不得電；

(2)當受電弓升起且壓力正常，=21-K83(13-14)接通，=21-K81(21-22)接通，=21-K10得電，其延時斷開觸點(18-15)接通.=21-K83(21-22)斷開，=21-K81(13-14)斷開，=21-K05(14-13)接通，故=21-K11不得電；

(3)當受電弓升起且壓力不正常時=21-K83(13-14)斷開，=21-K81(21-22)斷開，=21-K10失電，其延時斷開觸點(18-15)延時5 s斷開.=21-K83(21-22)接通，=21-K81(13-14)接通，=21-K05(14-13)接通，=21-K11得電，導致緊急斷電環路斷開，5 s后失電.

受電弓的接地鑰匙控制環路、緊急斷電環路、升降弓控制環路等部分硬線電路設計,見圖6.

圖6 緊急斷電安全環路硬線電氣原理圖及故障斷點設置

3.2 模擬故障斷點設置

為了快速提高培訓質量，提升受訓人員對“復興號”動車組受電弓系統的結構與功能理解能力、對常見故障的排查與定位能力，模擬實訓裝置在TC01、TP03-TP06、TC08的3個模塊的側板設有對應故障的“硬開關”，也可通過觸摸屏的“軟開關”設置故障點，來模擬真車受電弓系統在實際運行中的常見故障.圖6中“×”號代表設置的故障斷點.當受電弓升降系統因故障無法正常運行，受訓人員可根據電氣原理、電路測量、現象分析、故障排查，直至故障定位，并將故障開關復位，排除故障.

本裝置既可以在控制環路中設置單個常見故障，也可以同時設置多個故障，實現不同類型、不同位置的故障組合與故障復現，增加訓練難度.

3.3 故障檢測與軟開關控制

為提高培訓效率和裝置的智能化，實現故障排查與定位準確度的自動判別，檢驗受訓學員的學習效果，模擬實訓裝置增加故障檢測與“軟開關”控制，控制器選用大工計控PLC的PAG310控制器，IO擴展選用20路數字量輸入EIO103和15路數字量輸出EIO172，通過中間繼電器實現模擬車載DC 110V電壓與控制器的電氣隔離.其IO分配和接線見圖7.

(a)數字量輸入接線圖

故障檢測與定位判別流程見圖8.

圖8 故障檢測與定位判別流程

3.4 人機交互界面設計

本裝置采用昆侖通態(MCGS)觸摸屏來完成故障采集、實時顯示、故障定位準確性判別和事件記錄等功能.MCGS具有全中文和可視化開發界面、豐富的動畫構件、支持串口和以太網通信、具有不同的報警方式等優點[11].

在進行MCGS人機交互界面設計時，先創建工程，在設備窗口添加TCP/IP父設備，進行基本屬性參數設置，選擇網絡類型，添加設備通道，定義變量和對應的MODBUS變量地址，見圖9.

圖9 MCGS設備通道設置

圖10 MCGS實時數據庫

構建實時數據庫，設置包括數據定義對象、數據類型、配置數據對象屬性等.人機界面實時數據庫見圖10.

在用戶窗口中繪制受電弓升降控制環路電氣原理圖，并在其中添加“×”號，代表設置的故障斷點.“×”設置為條件非零時可見，當實際電路出現故障時，相應位置對應的故障變量置1，則對應的“×”顯示故障位置(圖6).

復現故障是不同類型、不同位置的故障組合，故障嵌在多控制環路中.為判定受訓學員的故障排查操作是否正確，在MCGS用戶窗口面向考官設計了故障位置顯示和排查結果自動判斷功能.當控制電路出現故障時，屏幕上自動跳轉到相應的故障界面，并“×”顯示故障位置.當出現多個故障界面時，屏幕自動彈出故障位置顯示切換按鈕，點擊可跳轉到任意一個故障界面.若受訓人員未能將故障成功排除，又制造出新的故障，則新增 “×”標志新增故障點.當受訓人員將故障成功排除后，“×”顯示故障消失，系統自動跳轉到下一個有故障斷點的界面，從而能快速判斷受訓學員的故障分析，判別與定位的實踐能力，達到檢驗受訓學員學習效果的目的.

4 結論

本文設計的中國標準動車組受電弓模擬實訓裝置，能模擬“復興號”真車功能，使受訓人員通過該裝置虛實結合、理實一體化的操作培訓，能直觀、清晰、快速掌握動車組受電弓單元的電氣原理、提高常見故障的診斷能力和排除效率、增強實際操作的熟練度，大大提升培訓效果.